GENERADOR DE PULSOS DE RELOJ PARA CIRCUITOS TTL OBJETIVO: Disear, simular y armar un circuito generador de pulsos de reloj para circuitos TTL mediante el uso de un multivibrador biestable cuya frecuencia sea controlada por una resistencia variable (potencimetro) en el rango de 0.1 Hz a 10 Hz. INTRODUCCIN. Un oscilador o un generador de seal es una herramienta indispensable en el trabajo de servicio electrnico, en el laboratorio de investigacin o en la lnea de produccin. Suministra al tcnico con las diferentes clases de seales de prueba para realizar un amplio rango de operaciones, tal como la medicin de la respuesta en frecuencia de un amplificador, las caractersticas de banda de un filtro, el alineamiento de un receptor de radio o de televisin o simplemente para rastrear las fallas en un equipo electrnico. Las diferentes fuentes de seal se describen por nombres diferentes: osciladores de prueba, osciladores de audio, generador de seal, generador de barrido, generador de funciones, etc.; dependiendo de las caractersticas del instrumento y su uso intentado. Generalmente, un oscilador es un dispositivo que suministra una seal sinusoidal de una cierta frecuencia y amplitud, mientras que un generador de seal tiene la capacidad de modulacin de amplitud de la seal de salida y un amplio rango de sintona. El circuito del oscilador mismo, sin embargo, es el elemento bsico y comn para todas las fuentes de seales. Existen varios circuitos osciladores, con circuitos cuyo diseo depende de las frecuencias que se necesitan producir. Los osciladores de baja frecuencia, operando aproximadamente en el rango de 1 Hz a 1 MHz, se basan a menudo en el circuito del puente de Wien. El puente de Wien suministra una combinacin de rango de frecuencia variable y salida estable en un instrumento barato y confiable. Los osciladores para alta frecuencia, cubren un rango de frecuencia entre 100 kHz y 500 MHz o ms, generalmente se basan en alguna variacin de un circuito tanque LC. CONSIDERACIONES TORICAS. Los generadores de pulsos y onda cuadrada se usan a menudo en las mediciones con el osciloscopio de rayos catdicos (CRO). Las formas de onda obtenidas en el osciloscopio en la salida o en puntos particulares del sistema suministran informacin cualitativa y cuantitativa acerca del sistema o dispositivo bajo prueba. La diferencia fundamental entre un generador de pulsos y uno de onda cuadrada est en el ciclo til. El ciclo til se define como la relacin entre el valor promedio del pulso sobre un ciclo y el valor pico del pulso. Puesto que el valor promedio y el valor de pico estn relacionados inversamente a sus tiempos de duracin, el ciclo til se puede definir en trminos del ancho de pulso y el perodo o tiempo de repeticin del pulso, esto es:

perodopulsodelanchotilciclo =

Los generadores de onda cuadrada producen un voltaje de salida con perodos iguales encendido (on) y apagado (off), de tal forma que su ciclo til es igual a 0.5 o del 50%. El ciclo til permanece en este valor aun cuando se vara la frecuencia de oscilacin. El ciclo til de un generador de pulsos puede variar; pulsos muy cortos de duracin dan un ciclo til de trabajo y el generador de pulsos puede generalmente suministrar ms potencia durante el perodo de encendido (on) que la generada por un generador de onda cuadrada. Pulsos de corta duracin reducen la disipacin de potencia en los componentes bajo prueba, por ejemplo, las mediciones de ganancia del transistor se pueden efectuar con pulsos de corta duracin que eviten el calentamiento de las uniones y de esta forma se minimiza el efecto de la temperatura de la unin sobre la ganancia. En la seleccin de un generador de pulsos o de onda cuadrada, la calidad del pulso es de importancia primaria. Un pulso de prueba de alta calidad asegura que cualquier degradacin del pulso desplegado se puede atribuir al circuito bajo prueba y no al instrumento de prueba. Las caractersticas pertenecientes de un pulso se muestran en la siguiente figura:

Caractersticas de un pulso Las especificaciones que describen estas caractersticas normalmente se dan en el manual del instrumento o en las hojas de especificaciones del fabricante. El tiempo requerido por el pulso para incrementar desde el 10% al 90% de su amplitud normal se llama el tiempo de subida (tr). Similarmente, el tiempo requerido por el pulso para decrecer desde el 90% al 10% de su mxima amplitud se llama el tiempo de cada (tf). En general, el tiempo de subida y el de cada deben ser significativamente ms rpidos que el circuito o el componente bajo prueba. Cuando la amplitud inicial de subida excede el valor correcto, ocurre un sobresalto. El sobresalto se puede ver simplemente como una simple cresta o puede ocurrir una oscilacin. Cuando la mxima amplitud del

pulso no es constante, pero decrece lentamente, se dice que el pulso se extingue o declina. Cualquier sobresalto, oscilacin o extincin en el pulso de prueba se debe conocer para evitar confusin con un fenmeno similar causado por el circuito bajo prueba. La mxima amplitud del pulso es de vital importancia esencialmente si se requiere una potencia de entrada apreciable tal como sucede por ejemplo, en las memorias de ncleo magntico. Al mismo tiempo, el rango de atenuacin del instrumento debe ser adecuado para prevenir una sobrecarga al circuito de prueba y para simular las condiciones actuales de operacin. El rango del control de frecuencia o rata de repeticin del pulso (RRP) es importante si el circuito bajo prueba puede operar nicamente dentro de un criterio rango de la rata del pulso o si se necesita una variacin de su rata. Los circuitos usados en la generacin de pulsos caen generalmente en dos categoras: pasivos o formadores de pulso y activos o circuitos generadores de pulso. En los circuitos de tipo pasivos, se usa un oscilador sinusoidal como el generador bsico y su salida se pasa a travs de un circuito formador de pulsos para obtener de esta forma la forma de onda deseada. Los generadores activos normalmente son de tipo de relajacin. El oscilador de relajacin usa la carga y descarga de un condensador para controlar la conduccin de un tubo de vaco o de un transistor. Algunas formas comunes de osciladores de relajacin son el multivibrador y los osciladores de bloqueo. Las aplicaciones como osciladores, generadores de pulso, generadores de rampa u onda cuadrada; multivibradores de un disparo, alarmas contra robo y monitores de voltaje, requiere un circuito capaz de producir intervalos de tiempo medido. El circuito integrado temporizado ms popular es el 555, introducido primero por Signetics Corporation. Similar a los amplificadores operacionales de propsito general, el circuito integrado 555 es confiable, fcil de usar en gran variedad de aplicaciones y de bajo costo. El circuito integrado 555 puede considerarse como un conjunto funcional que tiene dos comparadores, dos transistores, tres resistencias iguales, un multivibrador biestable (flip-flop) y una etapa de salida, esto se muestra en la siguiente figura.

El circuito integrado 555 puede operar con voltajes de alimentacin de +5 V a +8 V, por lo tanto es compatible tanto con los circuitos integrados TTL (lgica transistor-transistor) como con amplificadores operacionales. Adems del circuito integrado temporizador 555, tambin est disponible los circuitos integrados temporizadores como el Exar XR-2240 que contiene un temporizador 555 ms un contador binario programable en un encapsulado de 16 terminales. Un solo 555 tienen un intervalo mximo de tiempo de aproximadamente 15 min. Los temporizadores de conteo tienen un rango de tiempo mximo de das. El intervalo de tiempo de ambos puede extenderse a meses incluso aos conectados en cascada. El circuito integrado temporizador 555 tiene dos modos de operacin, ya sea como un multivibrador astable (de oscilacin libre) o como un multivibrador monoestable (un disparo). Operacin Astable. Una aplicacin popular del circuito integrado temporizador 555 es como un multivibrador astable o circuito de reloj. La siguiente figura muestra un circuito astable construido con la ayuda de una resistencia y un condensador externos para fijar el intervalo de temporizacin de la seal de salida.

El condensador C se carga hacia Vcc por medio de unas resistencias externas RA y RB. Haciendo referencia hacia la anterior figura, el voltaje del condensador se eleva hasta llegar a ser superior a 2Vcc/3. Este voltaje es el umbral en la terminal 6, que maneja al comparador 1 para dispara al multivibrador biestable (flip-flop) en forma tal de que la salida en la terminal 3 pasa a bajo. Adems, el transistor de descarga se desactiva, lo que ocasiona que la salida en la terminal 7 descargue al condensador por medio de la resistencia RB. Luego, el voltaje del condensador disminuye hasta que cae por abajo del nivel de disparo (Vcc/3). Entonces el multivibrador biestable (flip-flop) se dispara para que la salida regrese a alto, y el transistor de descarga se desactiva para que el condensador pueda de nuevo cargarse a travs de las resistencias RA y RB hasta llegar a Vcc. Se pueden hacer clculos de los intervalos del tiempo durante los cuales la salida est en alto y en bajo usando las relaciones siguientes:

C)RR(.T BAalto += 70

CR.T Bbajo 70= El periodo total es:

bajoalto TTperiodoT +== La frecuencia del circuito astable es entonces calculada con:

C)RR(.

Tf

BA 24411

+== (1) Operacin Monoestable. No todas las aplicaciones requieren una onda repetitiva como la que se obtiene de un multivibrador de oscilacin libre. Muchas aplicaciones necesitan operar slo por un tiempo de duracin especifica. Estos circuitos requieren un multivibrador de un disparo o monoestable. El temporizador 555 tambin puede usarse como un circuito multivibrador de un disparo o monoestable, como se muestra en la siguiente figura.

Cuando la seal de entrada de disparo a negativo, activa al multivibrador de un disparo, con la salida en la terminal 3 yendo a alto por un periodo de tiempo:

CR.T Aalto 11= DESARROLLO.

Se desea disear un generador de pulsos de reloj haciendo uso de un circuito integrado temporizador 555 en modo de operacin astable. Haciendo uso de este circuito integrado, se obtendr una seal de reloj en un rango de frecuencia de 0.1 Hz a 10 Hz. Para obtener estas frecuencias se emplear una resistencia variable o potencimetro cuyo valor ser calculado a continuacin. Para obtener los valores de los elementos del circuito oscilador, se empleara la formula para calcular la frecuencia del temporizador en modo astable (formula 1), por lo tanto, debido a que el rango de frecuencias es de 0.1 a 10 Hz, se emplearan las frecuencias del extremo inferior y superior para realizar los clculos; entonces empleando la frecuencia extrema inferior (0.1 Hz), tenemos:

C)RR(.

Tf

BA 24411

+== Realizando operaciones de despeje con respecto a la variable RB se obtiene la siguiente formula:

fCfCR.R AB 2

441 = Se proponen los valores de C y de RA, estos valores son C = 10F, RA = 1 k, por lo tanto, el valor de RB es:

k.x.

)x)(.()x)(x)(.(.RB 5719102

43911010102

10110101044166

36

===

Con los mismos valores de C y RA propuestos anteriormente, se calcula el valor de RB empleando el valor de frecuencia extrema superior (10 Hz), entonces obtenemos:

k.x.

)x)(()x)(x)((.RB 7610200

3411010102

10110101044136

36

===

Con estos valores obtenidos se puede observar que se requiere una resistencia variable o potencimetro de un valor no mayor de 720 k. Como potencimetros de tales valores son muy sensibles en valores menores de 10 k, se hace uso de una resistencia de 6.8 k conectada en serie con el potencimetro para obtener la mxima frecuencia del temporizador. Esto permitir que el potencimetro deba ser cerrado casi o en su totalidad para obtener la frecuencia mxima de 10 Hz; por lo tanto, el potencimetro deber ser abierto a un valor de 712.8 k y no de 719.5 k para obtener la frecuencia mnima del temporizador (0.1 Hz). Se observa que el valor de la resistencia fija conectada en serie con el potencimetro es de 6.8 k y no de 6.7 k, esto es debido a que el valor comercial es de 6.8 k, adems el exceso de 100 no afectara en gran medida la frecuencia de la seal de salida y considerando las tolerancias en los valores de las resistencias, el valor puede ser compensado. De esta forma el circuito oscilador o temporizador resultante es el siguiente:

Se utilizan las relaciones anteriormente descritas para calcular los intervalos en que la salida esta en alto o en bajo. Para la salida de 0.1 Hz obtenemos:

seg5.0435 F)k.k(.C)RR(.T BAalto =+=+= 10571917070

seg5.0365 F)k.(.CR.T Bbajo === 1057197070 Para la salida de 10 Hz, obtenemos:

seg0.0539 F)k.k(.C)RR(.T BAalto =+=+= 107617070

seg0.0469 F)k.(.CR.T Bbajo === 10767070 De acuerdo a los siguientes clculos se pude observar que la forma de onda es aproximadamente simtrica ya que no existe una gran diferencia entre la duracin del pulso alto con respecto al pulso bajo en la salida. MATERIAL Y EQUIPO UTILIZADO. Un circuito integrado (IC) temporizador 555 (un multivibrador biestable). Una resistencia variable de 820 k (potencimetro). Una resistencia de 6.8 k. Una resistencia de 1 k. Un capacitor electroltico de 10 F. Una fuente de voltaje regulada. Un osciloscopio. Un multimtro. Una tablilla de pruebas (Protoboard). Pinzas de punta y corte. Alambre para conexiones.

RESULTADOS. Una vez realizado los clculos correspondientes y obtenido el circuito resultante, se procede a realizar simulaciones del mismo en el programa Electronics Workbench. Para la salida de 01. Hz, se obtiene:

En esta simulacin, el potencimetro es abierto o colocado a un valor de 712.8 k y se emplea una base de tiempo de 1 seg/div, se obtiene una seal de salida con un periodo de 10 seg, por lo tanto, la frecuencia de la seal de salida es:

Hz.segT

f 1010

11 === La forma de onda se puede observar en la figura siguiente:

Para la salida de 10 Hz, se obtiene:

En esta simulacin, el potencimetro es cerrado totalmente o colocado a un valor de 0 y se emplea una base de tiempo de 0.05 seg/div, se obtiene una seal de salida con un periodo de 0.1 seg, por lo tanto, la frecuencia de la seal de salida es:

Hzseg.T

f 101011 ===

La forma de onda se puede observar en la figura siguiente:

Observando las simulaciones, se concluye que se ha obtenido el objetivo deseado y que el circuito generador de pulsos de reloj funcionara adecuadamente. CONCLUSIONES. Un oscilador o un generador de seal es una herramienta fundamental en la electrnica, en reas de investigacin o en lneas de produccin. Proporciona las diferentes clases de seales de prueba para realizar una gran variedad de operaciones como conocer la respuesta en frecuencia de un amplificador, las caractersticas de banda de un filtro, el alineamiento de un receptor de radio o de televisin o simplemente para rastrear las fallas en un equipo electrnico. Existe una pequea diferencia entre oscilador y generador de seal, el oscilador es un dispositivo que proporciona una seal sinusoidal con cierta frecuencia y amplitud, y el generador de seal tiene la capacidad de modulacin de amplitud de la seal de salida y un amplio rango de sintona. El circuito generador de seal diseado es esta prctica, proporciona una seal en forma de pulsos de reloj con una frecuencia variable controlada por un potencimetro; esta seal esta orientada para su uso en circuito integrados de la familia TTL tales como contadores, multivibradores biestables (flip-flops), registro de corrimiento, etc. La duracin de la seal en estado bajo o alto, toma importancia cuando se consideran el factor de disipacin de potencia en donde se recomienda que la duracin en estado alto sea lo ms corto posible para as disminuir la disipacin de potencia del los circuito bajo prueba como por ejemplo, cuando se usa un generador de onda cuadrada para

medir la ganancia de un transistor, este caso, se deben emplear pulsos cortos para evitar el calentamiento de las uniones y los efectos de la temperatura. En el desarrollo, se hizo uso de una resistencia de valor fijo conectada en serie con un potencimetro o resistencia variable para poder controlar ms fcilmente la frecuencia de la seal de salida, esto debido a que fsicamente en un potencimetro de valores mayores de 100 k, no es fcil obtener valores pequeos de resistencias debido a que el potencimetro pude cambiar de un valor pequeo a un valor grande abruptamente, esto en un desplazamiento muy corto del potencimetro. Si se desea, se pueden emplear elementos de precisin en este caso para las resistencias, pero en el caso del potencimetro implicara un desplazamiento de varias vueltas lo cual no es muy prctico para el usuario. CUESTIONARIO. 1.- Qu es un oscilador, un generador de seales y explique sus relaciones e importancias?. Generalmente, un oscilador es un dispositivo que suministra una seal sinusoidal de una cierta frecuencia y amplitud, mientras que un generador de seal tiene la capacidad de modulacin de amplitud de la seal de salida y un amplio rango de sintona. El circuito del oscilador mismo, sin embargo, es el elemento bsico y comn para todas las fuentes de seales. Un oscilador o un generador de seal es una herramienta indispensable en el trabajo de servicio electrnico, en el laboratorio de investigacin o en la lnea de produccin. Suministra al tcnico con las diferentes clases de seales de prueba para realizar un amplio rango de operaciones, tal como la medicin de la respuesta en frecuencia de un amplificador, las caractersticas de banda de un filtro, el alineamiento de un receptor de radio o de televisin o simplemente para rastrear las fallas en un equipo electrnico. Las diferentes fuentes de seal se describen por nombres diferentes: osciladores de prueba, osciladores de audio, generador de seal, generador de barrido, generador de funciones, etc.; dependiendo de las caractersticas del instrumento y su uso intentado. 2.- Cules son los modos de operacin de temporizador 555?. El circuito integrado temporizador 555 tiene dos modos de operacin fundamentalmente; el modo de operacin astable, y el modo de operacin monoestable. En el modo de operacin astable u oscilacin libre, el voltaje de la seal de salida cambia de un estado alto a uno bajo y se reinicia el ciclo. El tiempo de la salida en alto o en bajo, lo determina el circuito resistencia-capacitor conectado en forma externa al circuito temporizador 555. En el modo de operacin monoestable o multivibrador de un disparo, el voltaje de la seal de salida es bajo hasta que se aplica un pulso de disparo negativo; entonces la salida cambia a un voltaje positivo. El tiempo en que la salida permanece en alto se determina con una resistencia y un capacitor conectados al circuito temporizador 555. Al final del intervalo, la salida regresa al estado bajo.

SUGERENCIAS. 1.- Se siguiere que el alumno realice un trabajo de investigacin sobre configuraciones de circuitos generadores de pulsos alternativos. BIBLIOGRAFA. Electrnica: Teora de Circuitos. Robert L. Boylestad / Louis Nashelsky Editorial: Prentice Hall. Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales. Robert F. Couglin / Frederick F. Driscoll. Editorial: Prentice Hall. Instrumentacin Electrnica y Mediciones. William David Cooper. Editorial: Prentice Hall.